顶板岩巷综合水力化石门揭煤

梁永胜

（淮北矿业集团青东煤矿，安徽淮北 235300）

顶板岩巷综合水力化石门揭煤

梁永胜

（淮北矿业集团青东煤矿，安徽淮北 235300）

青东煤矿地质构造复杂，断裂及褶皱构造分布广泛，煤层厚度变化较大，在石门揭煤过程中常遇到突出煤层增厚区，给石门揭煤带来困难。采用顶板岩巷穿层钻孔的水力钻进——水力冲煤——水力润湿的综合水力化防突工艺可冲出大量的煤体及瓦斯、降低控制区域煤体应力、增加煤层透气性、加速瓦斯排放，同时软化煤体、降低煤层突出危险性、缩短揭煤工期。

石门揭煤；水力冲孔；防突技术

淮北矿区青东煤矿地质构造复杂，断裂及褶皱构造分布广泛，煤层厚度变化较大，在石门揭煤过程中常遇到突出煤层增厚区，给石门揭煤带来困难。为了实现区域性瓦斯治理，缩短揭煤工期，青东煤矿针对缓倾斜、特厚、松软、强突煤层石门揭煤特点，研发了顶板岩巷穿层钻孔综合水力化石门揭煤区域防突技术。该技术采用顶板岩巷穿层钻孔的水力钻进——水力冲煤——水力润湿的综合水力化防突工艺，冲出大量的煤体及瓦斯、降低控制区域煤体应力、增加煤层透气性、加速瓦斯排放，同时软化煤体、降低煤层突出危险性。顶板岩巷穿层钻孔与迎头钻孔共同控制整个揭煤区域，达到区域性消突的目的；同时建立了该技术的效果考核指标体系，主要包括水力冲煤量、煤体含水率、残余瓦斯压力及残余瓦斯含量，分析确定了各指标防突临界值。

1 顶板岩巷综合水力化区域防突技术工艺

顶板岩巷综合水力化区域防突技术是以水力钻进—水力冲煤—水力润湿技术工艺，冲出大量煤屑及瓦斯、卸载煤体应力、增加煤体塑性、增加煤层含水率软化煤体为主要机理的防突技术。

1．1 水力钻进

钻孔施工过程中，钻头旋转，机械破煤，同时钻杆排出的高压水随着钻杆旋转进行水力破煤。较软的煤体及钻孔钻进方向的煤体被破碎，在水压作用下排出孔外。

1．2 水力冲煤

水力冲煤过程包括高压水力冲煤与低压水力冲刷过程，通过高压水力破煤，增大钻孔孔径，同时加快钻孔周围裂隙的发育，增加煤层透气性，降低煤体应力。水力冲刷时水压低于高压水力冲煤的水压，依靠钻杆上下不断抽动，冲刷钻孔孔壁，将软煤及破碎煤体冲出孔外，可以有效增大钻孔孔径，增加钻孔卸压范围。高压水力冲煤水压为10MPa，低压水力冲刷水压为1．5MPa。

1．3 水力润湿

钻孔施工完毕后，封孔，连接井下水管，进行静压注水，润湿煤体，增加煤体含水率，静压注水降低了硬煤分层的强度，增加了硬煤分层的塑性，由此导致整个煤层软化，使石门揭煤工作面前方产生一个较长的破裂带和卸压带，使得具有突出危险的软分层内瓦斯能够在暴露前提前释放，有效降低了石门揭煤工作面突出危险性。水力润湿时间不低于10天。

2 技术考核指标评价体系

根据顶板岩巷综合水力化防突机理，结合现场试验，建立了顶板岩巷综合水力化区域防突技术考核指标评价体系。考核指标按优先顺序为：冲煤量指标、煤体含水率指标、残余瓦斯压力及残余瓦斯含量指标。

2．1 冲煤量指标

根据《防治煤与瓦斯突出规定》中要求，全断面冲出的煤体总量（t）数值不得小于煤层厚度（m）乘以20。为了便于指标的现场应用，可根据此规定计算冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内煤体总量百分比，计算方法如下：

式中 η——20倍煤厚占控制范围内煤体总量百分比，%；

H——煤层厚度，m；

α——煤层倾角，°；

a——巷道高度，m；

b——巷道宽度，m；

ρ——煤体假密度，t／m3。

淮北矿区煤层倾角较小，多为缓倾斜煤层，以青东煤矿为例，该矿7煤层倾角为22．3°，煤层平均厚度为1．9m，巷道高度为4m，宽度为5m，带入上式计算冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内的煤体总量百分比为1．34%。按照《防治煤与瓦斯突出规定》中水力冲孔冲煤量要求，计算出一般情况下冲出煤量（20倍煤厚）占控制范围内煤体总量百分比为1．34%。综合水力化技术要求冲煤量为水力冲孔冲煤量的1．5倍，冲出煤量占控制范围内煤体总量百分比为2．01%，确定综合水力化区域防突技术冲煤量指标临界值为2．0%。

2．2 煤体含水率指标

实验室测试结果表明：当煤层含水量增加时，其塑性增强，煤的瓦斯解析速度也明显降低，其结果导致煤的突出危险性降低。当煤的含水量增大时，煤层的抗压强度、内摩擦角、粘度系数、弹性模量、残余变形量、塑性指数都随煤层中水分增加而下降。在石门揭煤过程中，静压注水可降低硬煤分层的强度，增加了硬煤分层的塑性，由此导致整个煤层软化，使石门揭煤工作面前方产生一个较长的破裂带和卸压带，有效降低了石门揭煤工作面突出危险性。根据国内外有关含水率的指标研究结果，综合水力化区域防突技术含水率指标临界值为4%。

2．3 残余瓦斯压力及含量

残余瓦斯压力及残余瓦斯含量指标临界值根据矿井实际考察突出临界值而确定。

3 应用效果

3．1 工程应用情况

将顶板岩巷综合水力化石门揭煤区域防突技术首次应用于青东东翼回风大巷揭穿8煤过程中，东翼回风大巷揭8煤处探得煤层真厚达17m，煤层倾角为19°，且瓦斯压力大，巷道斜穿煤层。在风井东翼回风石门距8煤法距5．5m处，通过施工探煤孔，探清了煤层层位。如图1所示。

图1 青东煤矿风井东翼回风石门探8煤预计剖面图

在距离8煤法距15m处，进行了突出危险性预测，测试结果见下表。在距离8煤法距5．5m处，施工测压孔及探煤孔过程中，多次出现卡钻、顶钻、抱钻（共埋入钻头两个，钻杆40m）现象。前期施工8个探煤孔，有5个孔喷孔，喷出煤量50t左右，施工4个测压孔有3个孔喷孔，综合判定该石门工作面区域具有突出危险性。

地点煤层煤层瓦斯压力／MPa ΔP／mmHg f D K东翼回风石门8煤层1．61 3．46 0．26 10．94 13．3

针对青东煤矿东翼回风石门所揭8煤煤层及瓦斯赋存特点，制定了迎头与顶板巷共同控制揭煤区域的综合区域防突技术措施。主要包括：迎头综合水力化防突措施、顶板岩巷综合水力化防突措施、穿煤段顺层排放及金属骨架煤体固化防突措施。

3．2 顶板岩巷综合水力化区域防突措施

施工迎头排放钻孔时，由于煤层太厚，钻孔施工困难，只能进入煤层20－28m，迎头钻孔控制范围见图2中A区域。迎头施工的排放钻孔无法一次性保护整个揭煤区域。为此，在施工迎头排放钻孔的同时，在迎头后部拐点处沿煤层倾向施工一条顶板岩巷，顶板岩巷与风井东翼回风巷水平投影为15m，距煤层垂距10m。在岩巷中布置两个钻场，在钻场中施工钻孔，控制迎头钻孔未保护到的区域。顶板岩巷钻孔布置剖面见图2。

沿煤层倾向，距煤层垂距10m，共施工长度约104m；巷道采用小断面，宽×高＝3．2m×2．8m；在距离起坡点69m处布置1号钻场，巷道端点布置2号钻场，钻场位于巷道右帮，每个钻场内布置140个孔，孔底间距为3m。采用综合水力化措施后，顶板巷钻场钻孔共冲出煤粉量约300t。

3．3 工程应用效果

整个揭煤过程历时10个月（较分段采取措施提前6个月），共施工钻孔478个钻孔，钻孔工程量2万余米，冲出煤量950t，单孔平均冲煤量1．99t，控制区域煤体重量为37282．5t，冲出煤量占控制区域煤体重量的百分比为2．55%，大于冲煤卸压临界值2%的指标。水力化冲煤完毕后，封孔静压注水，现场采集样，实验室检测控制区域煤体含水率达到5．4%，含水率大于4%的临界指标。石门揭煤前测得该处8煤原始瓦斯压力为1．6MPa，采取防突措施后测得残余瓦斯压力为0．35MPa，残余瓦斯含量为4．68 m3／t。巷道施工至8煤法距2m处利用远距离爆破安全顺利揭开煤层，并安全快速穿过煤层，石门揭煤防突掘进长度达128m。

图2 预板岩巷钻孔布置剖面图

4 结论

针对缓倾斜特厚突出煤层石门揭煤防突难题，研发了顶板岩巷综合水力化石门揭煤区域防突技术，制定了相应技术工艺，建立了相应的效果评价体系。工程应用表明，该技术有效解决了缓倾斜特厚强突出煤层石门揭煤区域防突难题，可供其他突出矿井同类条件石门揭煤提供参考。根据顶板岩巷穿层钻孔综合水力化区域防突机理，建立了该技术考核指标评价体系。考核指标及临界值按优先顺序为：冲煤量指标（2%）、煤体含水率指标（4%）、残余瓦斯压力及残余瓦斯含量指标。通过对现场应用效果的评价，完全满足现场施工安全需要。

［1］ 杜计平，汪理全．煤矿特殊开采方法［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2003．

［2］ 刘过兵．采矿新技术［M］．北京：煤炭工业出版社，2002．

［3］ 郭广礼，王悦汉，马占国．煤炭开采沉陷有效控制的新途径［J］．中国矿业大学报，2004（3）

［4］ 陈荣光．矿山企业污染防治与环境保护强制性标准执行手册［M］．银川：宁夏大地出版社，2004．

责任编辑：訾兴建

TD82

A

1671－8275（2012）04－0133－02

2012－06－30

梁永胜（1966－），男，江苏徐州人，淮北矿业集团青东煤矿安全信息中心主任，助理工程师。